播量和行距對苜蓿根際土壤生物性質的影響

南麗麗， 汪 堃， 李小彥， 趙克明

(1. 甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 草業生態系統教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省草業工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 4. 中美草地畜牧業可持續發展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

根際是受植物根系及其生長活動顯著影響的土壤微域環境，由于其特殊的物理、化學和生物性質，根際土壤環境影響著土壤微生物和酶活性。根際土壤微生物參與根際生態系統的物質轉化和循環，微生物群落的組成是衡量土壤性質和功能的一個重要指標[1]，在維持土壤健康方面扮演著重要的角色[2]。土壤酶活性對土壤碳氮的轉化、腐殖質的合成與分解等發揮著重要的作用，并在一定程度上反映土壤生物學狀況，能敏感地指示土壤品質的變化，可作為土壤肥力、土壤品質及土壤健康的重要指標[3]。土壤呼吸是土壤碳庫的主要輸出途徑，作為衡量土壤生物活性的指標，一定程度上反映了土壤養分轉化和供應能力[4]。

有關播量和行距對苜蓿產量[5]、品質[6-7]及苜蓿草地土壤微生物[8]、酶活性變化[9]的影響已有報道，不同種植密度對小麥根際土壤微生物數量及酶活性[10]的影響也已見報道，但關于不同播量和行距配置下苜蓿根際土壤微生物、酶活性的變化鮮見報道，而播量影響苜蓿群體大小，行距影響苜蓿群體均勻性，二者配置下苜蓿的群體數量、根量有明顯差異，便會直接影響根際周圍土壤微生物活動、根系分泌物及根系殘體。本研究采用田間小區試驗，比較不同播量和行距配置對苜蓿根際土壤微生物(細菌、真菌、放線菌)、呼吸速率和酶活性(脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶)的影響以及它們之間的相關關系，旨在明確苜蓿與其根際土壤微生物和酶活性間的相互作用，為苜蓿生產實踐中選擇合理的栽培方式奠定科學基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

甘肅農業大學武威黃羊鎮牧草試驗站(37°55′ N，102°40′ E)地處河西走廊東端，屬大陸性氣候，農業區劃為中溫帶荒漠灌區。冬春干旱，夏季酷熱，日照長，降水少，蒸發量大。年均溫7.2℃，年降水量150 mm，分布很不均勻，生長季節的前期降水一般偏少。年蒸發量2 019.9 mm，約為降水量的14倍。海拔1 530.88 m，無霜期154 d。土壤類型為沙壤土，0～20 cm土層pH為8.70，有機質、全氮、全磷含量分別為10.60，7.07 和3.32 g·kg-1，速效氮、磷、鉀含量分別為88.2，13.24和119.95 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

供試苜蓿為甘農3號紫花苜蓿(M.sativaL.‘Gannong No.3’)。試驗采用裂區設計，主區設4個播量，分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2；副區為行距，分別為10，15，20 cm，共12個處理，重復3次，小區面積4 m×5 m，小區間距為40 cm。2014年7月15日人工開溝條播，播深2 cm。播前澆一次底墑水，施磷酸二胺400 kg·hm-2作為基肥。生長期間，每茬苜蓿測產后進行灌溉。

1.3 測定指標及方法

于2015年4月25日、7月25日、10月25日，在各小區選取10株植株，將0～20 cm、20～40 cm土層根系挖出，抖掉根系外圍土，取緊貼在根表附近的土樣，混合后作為根際土，土樣使用前過2 mm篩。

土壤微生物數量采用平板涂布計數，細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基[11]，放線菌采用改良高氏1號培養基[12]，真菌采用馬丁孟加拉紅培養基[11]，結果以每克干土所含數量表示。土壤脲酶采用靛酚藍比色法[13]，以24 h后1 g土壤中NH3-N質量(mg)表示；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉(用硼酸緩沖液)比色法[13]，以24 h后1 g土壤中釋放出的酚質量(mg)表示；脫氫酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法，用培養24 h后1g土壤中生成的TTC質量分數來表示(mg)[13]。土壤呼吸速率采用LICOR-6400便攜式光合作用儀連接6400-09土壤葉室測定(Li-Cor Inc，Lincoln，NE，USA)[14]，每次測定時，齊地面剪去管中的苜蓿；測定所用PVC基座直徑10 cm、高5 cm，提前24 h嵌入土中約3 cm，每個小區2次重復。

1.4數據分析

采用Excel2007進行數據整理，用SPSS16.0統計軟件進行方差分析和相關分析，用Duncan氏新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 根際土壤可培養微生物數量的比較

2.1.1細菌 由表1可知，細菌數量隨播量遞增呈先增加后減小趨勢，隨行距遞增呈增大趨勢。春、夏、秋3季細菌數量分別在3.46～16.81(×103)cfu·g-1，11.42～37.37(×103)cfu·g-1，6.92～34.65(×103)cfu·g-1范圍內，在不同采樣時間表現為夏季>秋季>春季，且隨土層深度的增加而顯著下降(P<0.05)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時，細菌數量最高，不同生長季節0～40 cm土層平均細菌數量分別為15.73，20.12，24.08，23.70(×103)cfu·g-1；同一行距下，以播量20.0 kg·hm-2細菌數量最多。

注：不同小寫字母表示土層間有差異(P<0.05)；不同大寫字母表示處理間有差異(P<0.05)；不同拉丁字母表示季節間有差異(P<0.05)，下同

Note：Different lowercase letters indicate significant difference at different soil depths at the 0.05 level;Different capital letters indicate significant difference in different combinations at the 0.05 level;Different latin letters indicate significant difference in different seasons at the 0.05 level, The same as below

2.1.2放線菌 由表2可見，不同播量和行距配置苜蓿根際土壤放線菌數量隨土層深度的增加顯著減小(P<0.05)，隨播量增加大體呈先增加后降低趨勢，隨行距增加呈增大趨勢。春、夏、秋3季放線菌數量分別在1.06～5.86(×103)cfu·g-1、3.92～17.85(×103)cfu·g-1、2.77～13.30(×103)cfu·g-1范圍內，在不同季節，放線菌數量在夏季最高、秋季次之、春季最小。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時，放線菌數量最多，不同生長季節0～40 cm土層平均放線菌數量分別為6.29，8.49，8.74，6.41(×103)cfu·g-1；同一行距下，以播量16.0 kg·hm-2平均放線菌數量較大。

表2 苜蓿根際土壤放線菌數量季節變化Table 2 Seasonal changes of soil actinomycetes quantity in the rhizosphere of alfalfa/103cfu·g-1

2.1.3真菌 由表3可知，真菌數量總體上隨苜蓿播量的增加呈降低趨勢，隨行距的增加呈先上升后下降趨勢。春、夏、秋3季真菌數量分別在8.64～32.07 cfu·g-1、10.92～35.71 cfu·g-1、10.69～58.45 cfu·g-1范圍內，在不同采樣時間，真菌數量表現為秋季>夏季>春季。在土壤剖面上真菌數量差異顯著(P<0.05)，且隨土層深度的加深呈下降趨勢。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為15 cm時，真菌數量最多，不同生長季節0～40 cm土層平均真菌數量分別為29.98，30.68，28.74，25.88 cfu·g-1；行距為10和20 cm時，以播量12.0 kg·hm-2平均真菌數量最大，而行距為15 cm時，以播量16.0 kg·hm-2平均真菌數量最大。

表3 苜蓿根際土壤真菌數量季節變化Table 3 Seasonal changes of soil fungi quantities in the rhizosphere of alfalfa/cfu·g-1

2.2 根際土壤呼吸的比較

由圖1可知，根際土壤呼吸隨苜蓿播量的增加呈先升高后降低趨勢，隨行距的增加呈增大降趨勢，春、夏、秋3季土壤呼吸分別在1.13～3.19 μmol·m-2·s-1，3.54～6.68 μmol·m-2·s-1，2.05～3.74 μmol·m-2·s-1范圍內，可見土壤呼吸在夏季最快，秋季次之，春季最慢。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時，土壤呼吸最高，不同生長季節0～40 cm土層平均呼吸分別為3.79，3.47，3.87，3.64 μmol·m-2·s-1；同一行距下，土壤呼吸速率以播量20.0 kg·hm-2最大。

圖1 苜蓿根際土壤呼吸的比較Fig.1 Comparison of soil respiration in the rhizosphere of alfalfa注：S1,S2,S3,S4分別代表播量為12.0,16.0,20.0,24.0 kg·hm-2；R1,R2,R3分別代表行距為10,15,20 cm；小寫字母表示不同季節間的差異(P<0.05)，大寫字母表示不同處理間的差異(P<0.05)Note: S1, S2, S3, and S4 represent seeding rates of 12.0, 16.0, 20.0, and 24.0 kg·hm-2, respectively. R1, R2, and R3 represent row spacing of 10, 15, 20 cm, respectively. Lowercase letters indicate significant differences among different seasons at the 0.05 level; capital letters indicate significant differences among different combinations at the 0.05 level

2.3 根際土壤酶活性的比較

2.3.1脲酶 脲酶是決定土壤中氮轉化的關鍵酶。由表4可知，春、夏、秋3季土壤脲酶分別在0.12～0.90 mg·g-1、0.28～1.65 mg·g-1、0.89～2.76 mg·g-1范圍內，總體看，脲酶活性隨播量增加呈先增大后減小趨勢，隨行距增加呈增大趨勢。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時，脲酶活性最大，不同生長季節0～40 cm土層平均脲酶活性分別為1.17，1.54，1.34，0.96 mg·g-1；同一行距下，其活性以播量16.0 kg·hm-2最高。脲酶活性在上下兩土層均秋季最高，夏季次之，春季最小，0～20 cm土層顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。

2.3.2堿性磷酸酶 由表5可知，堿性磷酸酶活性總體上隨苜蓿播量增加呈先升高后降低趨勢，隨行距增加呈增大趨勢。春、夏、秋3季根際堿性磷酸酶活性分別在0.004～0.036 mg·g-1、0.227～1.575 mg·g-1、0.174～0.841 mg·g-1范圍內，不同采樣時間，堿性磷酸酶活性上下土層均表現為夏季>秋季>春季；在土壤剖面上堿性磷酸酶活性差異顯著(P<0.05)，除春季個別處理外，其余均隨土層加深呈下降趨勢。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時，堿性磷酸酶活性最高，不同生長季節0～40 cm土層平均堿性磷酸酶活性分別為0.482，0.622，0.492，0.437 mg·g-1；同一行距下，以播量16.0 kg·hm-2的酶活性最高。

表4 苜蓿根際土壤脲酶活性季節變化Table 4 Seasonal changes of soil urease activity in the rhizosphere of alfalfa/mg·g-1·24h-1

表5 苜蓿根際土壤堿性磷酸酶活性季節變化Table 5 Seasonal changes of soil alkaline phosphatase activity in the rhizosphere of alfalfa/mg·g-1·24h-1

2.3.3脫氫酶 由表6可知，根際脫氫酶活性隨播量增加呈先升高后降低趨勢，隨行距增加呈增高趨勢，春、夏、秋3季脫氫酶活性的變化范圍分別為0.02～0.20 μg·g-1、0.18～0.82 μg·g-1、0.09～0.51 μg·g-1，在不同采樣時間其活性為夏季>秋季>春季，在土壤剖面上其活性隨土層的加深而顯著降低(P<0.05)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時，脫氫酶活性最高，不同生長季節0～40 cm土層平均脫氫酶活性分別為0.20，0.36，0.21，0.20 μg·g-1；同一行距下，播量為16.0 kg·hm-2時，其酶活性最高。

表6 苜蓿根際土壤脫氫酶活性季節變化Table 6 Seasonal changes of soil dehydrogenase activity in the rhizosphere of alfalfa/μg·g-1·24h-1

2.4 根際土壤生物學性質相關分析

由表7可知，春、夏、秋3季0～40 cm土層平均細菌與真菌顯著負相關，相關系數為-0.623；放線菌與脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶分別呈極顯著、顯著正相關關系，相關系數分別為0.897、0.808、0.700；土壤呼吸與脫氫酶呈顯著正相關，相關系數為0.609；脲酶與堿性磷酸酶、脫氫酶極顯著正相關，相關系數分別為0.912，0.848；堿性磷酸酶與脫氫酶極顯著正相關，相關系數為0.909。

表7 苜蓿根際土壤生物學性質相關分析Table 7 Correlation analysis among soil biological properties in the rhizosphere of alfalfa

注：*表示在0.05水平上顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關

Note：* indicate significantly correlated at the 0.05 level;** indicate significantly correlated at the 0.01 level

3 討論

3.1 播量和行距對苜蓿根際土壤生物學性質的影響

土壤微生物種群數量變化可以反映土壤生物活性水平，土壤細菌和放線菌種群數量越高，土壤的生物活性就高，而土壤真菌種群數量上升，則會使土壤地力衰竭[15]。土壤酶主要來自于土壤微生物，其活性可以反映不同栽植條件和模式下土壤的質量，定植植物會影響土壤微生物數量[16]，從而使土壤酶活性變化。本研究表明，不同播量和行距配置下苜蓿根際土壤細菌、放線菌及呼吸速率均以播量20.0 kg·hm-2和行距20 cm下最大，真菌以播量16.0 kg·hm-2行距15 cm下最高，3種酶均以播量16.0 kg·hm-2行距20 cm下最高，這是由于低播量(12.0 kg·hm-2)下植株量、根量及根系分泌物較少，對土壤酶的酶源及根際生長環境產生了影響，降低了根際土壤酶的活性、微生物數量和呼吸速率；高播量(24.0 kg·hm-2)下因群體增大，植株總量及根系總量增多，但單株營養競爭加劇，單株光合能力降低，向根系輸送的光合產物減少[17]；中等播量(16.0，20.0 kg·hm-2)下植株根量適宜，植株光合能力得到有效發揮，光合產物充足，根部微生物量及其有效活動提高，進而增加了土壤酶活性和呼吸速率。

3.2 土層和季節對苜蓿根際土壤生物學性質的影響

本研究發現，土壤微生物數量、酶活性及呼吸速率主要分布在土壤表層，這與許多研究者的結果相似[8，18]，一方面表層土壤植物根系分布密集、枯枝落葉大量聚積，腐熟分解后為植物生長提供了有效養分；另一方面表層土壤的通氣狀況、溫度、濕度良好，利于酶和微生物的生長。根際土壤中的微生物以細菌數量最多，放線菌次之，真菌最少，與大多數學者的研究結果[19-20]一致，這是因為甘肅荒漠灌區土壤呈堿性(pH值8.70)，適宜于中性偏堿的細菌生長繁殖，不利于喜偏酸性環境的真菌生長，反映出細菌、放線菌對該生態環境的適應性強。土壤酶、微生物數量及呼吸速率隨季節性變化比較明顯，這與前人研究結果[21-22]一致，其中堿性磷酸酶、脫氫酶、細菌、放線菌、土壤呼吸在夏季最大，春季最小，而脲酶和真菌在秋季最大，春季最小，適宜的溫度和水分條件可能是主要的原因。

本研究發現，土壤酶、土壤微生物之間存在著一定的相關性，這是因為微生物在其生命活動過程中釋放分泌酶[23]；在土壤酶的作用下，土壤有機物質和有機殘體分解成不同的中間產物和最終產物，為微生物提供了營養物質和能量[24]；但土壤呼吸與根際土壤中細菌、真菌以及放線菌的數量無顯著相關性，這與保護性耕作黃土旱塬玉米的研究結果[25]一致，與不同刈割年限天然草地上的研究結果[26]不同，這可能與研究地點的地理位置、氣候、環境條件等之間的差異有關，因此，仍需對根系呼吸以及其他環境因子做進一步研究。

4 結論

不同播量和行距組合下苜蓿根際土壤細菌、放線菌、脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶及呼吸速率均隨播量增加呈先增高后降低趨勢，隨行距增加呈增大趨勢，而真菌隨播量增加呈降低趨勢，隨行距增加呈先升高后下降趨勢。根際土壤細菌、放線菌及呼吸速率在中等播量20.0 kg·hm-2和行距20 cm時，數量最多；真菌在中等播量16.0 kg·hm-2和行距15 cm下數量最大；3種酶均在中等播量16.0 kg·hm-2和行距20 cm下活性最強。土壤微生物數量、酶活性及呼吸速率均隨土層的加深而顯著降低，且各指標季節變化比較明顯。